Ａｐｐｌ ｉｃａｔｉｏｎ Ｒｅｓｕｌｔｓ・应用成果 远距离ＭＩＦＡＲＥ １卡读卡器 射频前端的设计 徐益敏 （上海交通大学信息安全工程学院 上海２００２４０） 【摘要】ＭＩＦＡＲＥ １射频卡采用先进的芯片制造工艺制作，内建有高速的ＣＭＯＳ ＥＥＰＲＯＭ、ＭＣＵ等。本文介绍了 Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的ＭＩＦＡＲＥ １射频卡的主要特点和工作原理，提出了一种由单片机控制，用分离元件实现的远距离 ＭＩＦＡＲＥ １卡读卡器射频前端硬件电路系统的设计。解决了运用常规读写模块设计的读卡器对ＭＩＦＡＲＥ １卡操作距 离不足的问题，也同时解决了读卡器设计广泛采用专用ＲＦＩＤ芯片而涉及国外相关知识产权的问题，已经投入实用。 【关键词】ＭＩＦＡＲＥ；主要特点；工作原理；远距离；读卡器 Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｌｏｎｇ－ｒａｎｇｅ ＭＩＦＡＲＥ １ Ｃａｒｄ－ｒｅａｄｅｒ ＲＦ Ｆｒｏｎｔ－ｅｎｄ Ｘｕ Ｙｉ．ｍＩｎ （ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ＳｅｃｕｒｉｔｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏｔｏｎ９ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２４０） 【Ａｂｓｔｒａｃｔ】ＭＩＦＡＲＥ １ ＲＦ ｃａｒｄ ｉｓ ｐｒｏｄｕｃｔｅｄ ｂｙ ａｄｖａｎｃｅｄ ｃｈｉｐ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｂｕｉｌｔ－ｉｎ ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ＣＭＯＳ ＥＥＰＲＯＭ，ＭＣＵ，ｅｔｃ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ Ｐｈｉｌｉｐｓ ｃｏｍｐａｎｙ’ｓ ＭＩＦＡＲＥ １ ＲＦ ｃａｒｄ，ａ ｄｅｓｉｇｎ ｕｓｉｎｇ ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｌｏｎｇ－ｒａｎｇｅ ＭＩＦＡＲＥ １ ｃａｒｄ ｒｅａｄｅｒ ＲＦ ｆｒｏｎｔ－ｅｎｄ ｈａｒｄｗａｒｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｙｓｔｅｍ ｗｈａｔ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ＭＣＵ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｕｓｉｎｇ ｒｅｇｕｌａｒ ｒｅａｄｅｒ ｍｏｄｕｌｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｏｒ ＭＩＦＡＲＥ １ ｃａｒｄ－ｒｅａｄｅｒ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｉｎｓｕｆｉｃｉｆｅｎｔ ａｐｐｌｉａｔｃｉｏｎ ０ｆ ｄｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ ａｌｓｏ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｅｃｔｕａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｒｉｇｈｔｓ ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ ｆｏｒｅｉｇｎ ＲＦＩＤ ｃｈｉｐｓ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｃａｒｄ—ｒｅａｄｅｒｓ，ｉｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐｕｔ ｉｎｔｏ ｐｒａｃｔｉａｌｃ ｕｓｅ． 【Ｋｅｖｗｏｒｄｓ】ｍｉｆａｒｅ；ｍａｉｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｄｎｄｐｌｅ；ｌｏｎｇ－ｒａｎｇｅ；ｃａｒｄ－ｒｅａｄｅｒ ｌ引言 随着射频技术的推广，ＭＩＦＡＲＥ １卡已经广泛应用 于公共交通终端、手持终端、板上单元、非接触式ＰＣ终 端等各个非接触式通信场合。非接触式智能卡读写系统 是射频技术中的一个重要组成部分，可完成指令分析、 数据采集等诸多功能。 本文首先介绍了Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的ＭＩＦＡＲＥ １射频卡 件电路系统设计方案拥有自主知识产权，系统稳定，通 信可靠。 ２ ＭＩＦＡＲＥ卡的主要特点 ＭＩＦＡＲＥ技术是Ｐｈｉｌｉｐｓ公司推出的一种射频／双界 面卡技术．目前已被ＩＳＯ／ＩＥＣ制定为国际标准：ＩＳＯ／ＩＥＣ １４４４３Ａ标准。ＭＩＦＡＲＥ卡目前占据世界射频卡市场 ８０％的份额 ＭＩＦＡＲＥ射频卡的核心是Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的ＭＩＦＡＲＥ 的主要特点和工作原理，提Ｈｊ了一种南单片机控制．用 分离元件实现的远距离ＭＩＦＡＲＥ １卡读卡器射频前端 硬件电路系统的设计。解决了在某些应用场合下运用常 规读写模块设计的读卡器对ＭＩＦＡＲＥ １卡操作距离不 足的问题。本文提出的ＭＩＦＡＲＥ １卡读卡器射频前端硬 ７８．２０１４年２月．信息安全与技术 １ ＩＣ￥５０系列微晶片。ＭＩＦＡＲＥ射频卡采用先进的芯片 制造＿［．艺制作，内建有高速的ＣＭＯＳ ＥＥＰＲＯＭ、ＭＣＵ 等。卡片上除了ＩＣ微晶片及一副高效率天线外，无任何 其他元件。射频卡Ｔ作频率为１３．５６ＭＨｚ，标准操作距离 ．应用成果・Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｒｅｓｕｌｔｓ 为１００ｍｍ，与卡片读写器的通信速率高达１０６Ｋｂｉｔ。 ＭＩＦＡＲＥ射频卡具有先进的数据通信加密技术．需 要双向验证密码系统，且具有防重叠功能，即能在同一 时间处理读写器天线的有效工作距离内的多张卡片。 ＭＩＦＡＲＥ射频卡与读写器通信使用握手式半双工 则不能再增大。 根据如上分析，ＭＩＦＡＲＥ读卡器射频前端主要由射 频收发电路和天线两部分组成。 ＭＩＦＡＲＥ渎卡器射频收发电路要完成几项功能：在 发射部分，要将基带数字信号调制到１３．５６ＭＨｚ的载频 上，通过功放放大以后，然后经天线发射出去；在接收部 分，将从天线接收到的射频回波信号进行检波，并放大 解调后输出。 ＭＩＦＡＲＥ收发天线主要完成射频收发信号的近场 辐射 射频前端包含发射通道、接收通道、过压过流监测 保护电路、电源转换电路以及天线和天线匹配电路等几 个部分组成。 发射通道由调制电路、前置放大电路、功放电路以 及匹配电路组成。为了达到我们所希望的３０ｃｍ的通信 距离．发射功率要大于８Ｗ以上。 过压过流监测保护电路主要是为了防止在发生阻抗 失配的时候．产生全反射，导致功放等器件损坏的情况。 天线和天线匹配电路需要单独进行设计，天线模块 的尺寸为３０ｃｍ￣４０ｃｍ。 通信协议．卡片上有高速的ＣＲＣ协处理器，符合ＣＣＩＴＴ 标准。 ＭＩＦＡＲＥ １￥５０射频卡卡片上内建８Ｋ（ｂｉｔ）存储容量 ＥＥＰＲＯＭ并被划分为１６个扇区，每个扇区划分为４个 数据存储块。卡片上还内建有增值／减值的专项的数学 运算电路。卡片上的数据读写可超过１０万次以上，数据 保存期可达１０年以上，且卡片抗静电保护能力达２ＫＶ 以上。 ３ ＭＩＦＡＩ 卡的工作原理 ＭＩＦＡＲＥ射频卡由一个天线和一个微模块组成。天 线是只有几组绕线的线圈，很适于封装到ＩＳ０卡片中， 微模块由一个高速的ＲＦ射频接口电路和数字电路部分 组成。其工作原理：读写器向卡片发一组固定频率的电 磁波，卡片内有一个ＬＣ串联谐振电路，其频率与读写 器发射的频率相同，在电磁波的激励下，ＬＣ谐振电路产 生共振，从而使电容内有了电荷，在这个电容的另一端， 接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一 个电容内储存，当所积累的电荷达到２Ｖ时，此电容可做 为电源为其它电路提供工作电压，将卡内数据发射出去 接收通道由滤波电路、检波电路、放大电路以及光 耦隔离电路组成。接收信号输出为模拟信号。 电源转换电路负责给射频前端各单元电路供电。 ＭＩＦＡＲＥ读卡器射频前端设计方案如图１所示。 或接取读写器的数据。 ５具体硬件实现 ５．１前置射频放大器 前置射频放大器采用典型的Ａ类放大电路，中心工 作频率为１３．５６ＭＨｚ。Ａ类放大器的特点是不论是否有 输入信号，其输出电路恒有电流流通，放大器在特性曲 线的线性范围内工作，信号传真度很高。所以Ａ类放大 ４射频前端总体结构及方案设计 ＭＩＦＡＲＥ卡读写器的设计一般用Ｐｈｉｌｉｐｓ公司生产 的读写模块ＭＣＭ２００或ＭＣＭ５００，当采用ＭＣＭ５ｏ０作 为读写器的读写模块时，操作距离为１００ｍｍ；当采用 ＭＣＭ２００时，操作距离为２５ｍｍ。为了满足更多的应用 需求，增加通信距离．可采取几项措施实现： 增大功放发射功率，使传输到天线的功率增 大；增大天线线圈的面积，使得天线的近场 辐射范围增大；采用铁氧体材料，提高接收 信号的灵敏度。 从理论上来说，采用以上技术手段，即 匹 三 可达到增加读卡器和ＭＩＦＡＲＥ卡之间通信 距离的目的。只要发射功率足够大，天线线 圈面积足够大，通信距离可大大增加。但通 信距离在天线线圈中磁通量达到饱和之后 罄 蓠 。富 信息安全与技术・２０１４年２月・７９－ 图１ ＲＦＩＤ读卡器射频前端设计方案 Ａｐｐｌ ｉｃａｔｉｏｎ Ｒｅｓｕｌｔｓ・应用成果 器的优点是失真度小，最大的缺点是功率效益低．最大 只有２５％ ５．２射频功率放大器 射频功率放大器采用ＡＢ类放大电路．如图２所 示，由两只匹配的晶体管以推挽工作方式组成。ＡＢ类放 大电路的偏置介于Ａ类放大器与Ｂ类放大器之间，在 没有信号的时候，两只晶体管都是导通的，但电流很小， 当有信号输入时，晶体管中的电流会变大。交流信号使 其中的一只晶体管截止，另一只晶体管则为导通．两只 管子始终是轮流截止和导通、并且其中流过的电流几乎 是全部送人负载 图２ ＡＢ类放大电路 射频功率放大器的中心工作频率为１３．５６ＭＨｚ 与Ａ类放大器相比，ＡＢ类放大器的优点是功率效 率很高，可达到７０％以上，另外推挽电路可以抑制偶次 谐波，减低非线性失真。 ５．３前置中频放大器 前置中频放大器采用共基．共射的渥尔曼电路 通 常为了得到好的频率特性，需要采用共基极放大电路． 但代价是使得输入阻抗变低，电路难于使用，然而渥尔 曼电路呵以克服了这一缺点。典型的渥尔曼放大电路如 图３所示 渥尔曼电路的优点。 （１）输入阻抗比共基极电路的高，输ｍ阻抗比共发 电路的高。冈此，它对前级的影响小，对本级负载的分流 小。由于实际负载是ＬＣ谐振回路而非典型电路中的 Ｒｃ，可以明显提高ＬＣ回路的工作Ｑ值。 （２）这种组合电路的内部反馈小，工作十分稳定。因 此，如果把它用于中频放大器时，不用中和电路也可以 稳定提供高增益 ・８０・２０１４年２月．信息安全与技术 ｉ 囟 Ｒ ＢＩ．： ； ｛ ：－ 啦 一 ｌ ｌ ｉ 广 一 壤．．鞣 — ｉ瓤警 ：ｅ ‘ 镡 ， 嘲 ； ｝｛ｃ｛卜１ ｌ Ｅ ｌ ｉ 图３渥尔曼电路 （３）这种组合电路的频带宽，适合于宽带放大。 前置中频放大器工作在副载波频率．其中心频率为 ８４７ＫＨｚ。 ５．４主中频放大器 由于ＲＦＩＤ信号强弱变化剧烈而迅速．一般ＡＧＣ 系统难以满足，因此主中频放大器采用了二级双增益对 数放大器电路，如图４所示 对数放大器是一种输出电压与输入电压成对数关 系的放大器，实际的对数放大器通常多为线性对数放大 器，即小信号输入时为线性放大器，大信号输入时为对 数放大。 对数双增益放大器是由一个限幅放大器和一个单 位增益放大器所组成。在输入较小时，限幅放大器有高 增益，当输入超过某一值后输出限幅电压。单位增益放 大器在整个输入信号动态范围内都不限幅．但增益为 １，无放大作用，两个放大器输出为同一负载。 硪幅放六嚣 单位增瑟放大嚣 图４对数双增益放大器 对数双增益放大器的总输出特性曲线如图５。 应用成果・Ａｐｐｌ ｉｃａｔｉｏｎ Ｒｅｓｕｌｔｓ ＲＦＩＤ读卡器射频前端实现远距离的通信的关键技术． 诸如：大功率功放的匹配技术、线圈天线的自动匹配技 术、大的发射信号下，接收小信号的检测技术、射频信号 的收发隔离技术。读卡器的工作距离在３０ｃｍ以上，已经 翰感 投入实用，应用前景较好。 参考文献 ［１］Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｃａｒｄ ＩＣ ＭＦＩｌＣ￥７０ Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｓｖｅｃｉｉｆｃａｔｉｏｎ．Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ２００１． 输 【２】Ｍｉｆａｒｅ Ｓｔａｎｄａｒｄ ＩＣ Ｃａｒｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｄａｔａ Ｓｈｅｅｔ．Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ２００２． 图５对数双增益放大器的输出特性曲线 ［３］游战清，李苏剑．无线射频识别技术（ＲＦＩＤ）￣论与应用．北京： 电子工业出版社．２００４． 用对数放大器具有动态范围宽、响应时间短、工作 稳定（级联中无反馈）、抗过载等特点。 主中频放大器工作在副载波频率，其中心频率为 ８４７ＫＨｚ。 ［４］张晓鹏，朱云龙，罗海波．超高频射频识别读写器设计ｌ Ｊ１．电子 器件．２００５（０９）：５４５． ［５］Ｂｅｈｚａｄ Ｒａｚａｖｉ．射频微电子［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００６． ６结束语 本文给出了由单片机控制，用分离元件实现的符合 ＩＳ０／ＩＥＣ １４４４３ ［，ＰＥ Ａ协议的远距离ＭＩＦＡＲＥ １卡读 卡器射频前端硬件电路系统的设计。解决了一系列 作者简介： 徐益敏（１９７８一），男，汉族，上海大学，本科，现就读于上海交通大 学；主要研究方向和关注领域：自动识别技术相关应用研究。 【上接第７７页】 ｛ 参考文献 ［１］周小葵．高校员工工资信息化管理系统［ 现代经济信息． ２０１０，（６）：２３． ＭｅｓｓａｇｅＢｏｘ．Ｓｈｏｗ（ｅｘｃｅｐ．Ｍｅｓｓａｇｅ， ＭｅｓｓａｇｅＢｏｘＢｕｔｔｏｎｓ．ＯＫ，ＭｅｓｓａｇｅＢｏｘｌｃｏｎ．Ｅｒｒｏｒ）； ｝ ｝ ［２］章生平．论高职院校的科研工作【ＪＪ．科技情报开发与经济． ２００７，１７（２）：２４６－２４７． ［３］王荣花．浅析高校教师工作量管理系统的现状与发展｝Ｊ１．企业 导报。２０１２，（２４）：６３． ［４］张俊晖．基于Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋６．０开发“人事工资管理系统”阴．价值 ５结束语 本文以广州医科大学卫生职业技术学院教师“劳务 费统计系统”为研究背景，系统从实际需求出发，其设计 是符合高校科研管理工作实际情况，在软件开发过程 中，得到了学校领导及相关部门的大力支持，还得到了 很多经验丰富的教务科劳务费管理教师指导，按照既定 工程．２０１ １．３０（２９）：１４８—１４９． 【５］白艳芳．铁路系统统计数据管理系统的设计与实现ｌＪＪ．中国外 资（上半月），２０１２，（７）：２１ １． ［６］于洋．装备部车辆维修中心汽车配件经销系统的设计与实现 ［Ｄ］．东北大学，２００８． 时间完成了开发任务并达到了预期目标。实际应用中表 明，该系统运行情况良好，满足了本校劳务费统计的要 作者简介： 李国芳（１９７３一），男，山东建材学院，本科学士，高职讲师；主要研 究方向和关注领域：计算机网络、程序设计。 何建斌（１９７８一），男，天津工程师范学院，计算机科学与技术本 求，极大地提高了高校管理的工作效率。 科，计算机助理讲师；主要研究方向和关注领域：计算机网络。 信息安全与技术・２０１４年２月・８１・
